Pojęcie mikrostruktury można zdefiniować niezależnie od rozważanych materiałów (metale, ceramika czy tworzywa sztuczne). Schatt i Worch definiują to następująco: „Pojęcie mikrostruktury oznacza ogólną konformację cząstki materii, której orientacja jest na pierwszy rzut oka jednorodna pod względem składu i rozmieszczenia jej składników […]. . Mikrostruktura charakteryzuje się kształtem, wielkością, proporcjami i teksturą faz. "
Obszary mikrostruktury, zwane krystalitami (ziarna, wypełniacze lub obszary amorficzne ) mają na ogół mikroskopijne rozmiary i można je scharakteryzować, zarówno jakościowo, jak i ilościowo, za pomocą mikroskopu optycznego . Dyscyplina ta obejmuje różne dziedziny: metalografię dla metali, ceramografię dla ceramiki i plastografię dla polimerów.
Monokryształów i amorficzne materiały nie wykazują żadnego mikrostrukturę widoczny pod mikroskopem optycznym.
W przypadku ciał stałych i stopów metali rozróżnia się mikrostrukturę pierwotną i mikrostrukturę wtórną, chociaż w potocznym języku termin ten najczęściej odnosi się do mikrostruktury wtórnej.
Pierwotna mikrostruktura powstaje po ochłodzeniu stopionej substancji krystalicznej. W temperaturze krzepnięcia kryształy tworzą się wokół wewnętrznych miejsc rozmieszczonych losowo w pastowatej mieszaninie. Kryształy te rosną podczas chłodzenia, aż ich obrzeża zetkną się. W zależności od tego, czy jest to chłodzenie substancji jednofazowej, czy wielofazowej, krystalizacji wzdłuż dendrytów mogą towarzyszyć zjawiska segregacji . Segregacje wynikają z różnicy w temperaturze krzepnięcia i rozpuszczalności różnych substancji. Wyizolowane kryształy, w zależności od okoliczności krzepnięcia i ich położenia w stopionej substancji, wykazują przypadkowe orientacje i utrudniają sobie nawzajem swój wzrost.
Metalografia umożliwia wizualizację niejednorodność materiału. W stopach odlewniczych podkreśla również strukturę dendrytyczną.
W wielu przypadkach krzepnięciu żeliwa towarzyszą, w wyniku niejednorodności chłodzenia, naprężenia szczątkowe, zjawisko zwane samowyżarzaniem . Wyżarzanie, jak każda obróbka cieplna , powoduje polimorfizm , zjawiska utwardzenia strukturalnego i rekrystalizacji , które są źródłem mikrostruktury wtórnej. Są to zawsze reakcje w fazie stałej .
Mikrostruktura jest widoczna w (makro-)strukturze wielu powszechnie stosowanych materiałów: np. galwanizowana stal latarni czy szlabanów prezentuje gołym okiem barwne płótno splecionych wielokątów (od szarego do srebrnego). Każda wielokątna ścianka jest krystalitem cynku uwięzionym na powierzchni stali. Atomy każdego krystalitu wpływają na jeden z siedmiu możliwych układów trójwymiarowych (sześcienny, czworościenny, heksagonalny, jednoskośny, trójskośny, romboedryczny lub rombowy), ale orientacja tych budowli różni się od krystalitu do sąsiedniego krystalitu, stąd kontrast świetlny z jednego aspektu do drugiego na ocynkowanej powierzchni. Średni rozmiar ziarna można regulować obróbką mechaniczną lub cieplną, a także składem chemicznym: ponadto większość stopów zawiera drobne, niewidoczne gołym okiem krystality, które przyczyniają się do zwiększenia twardości materiału (por. efekt Halla-Petcha ). .
Prosty eksperyment umożliwia wizualizację mikrostruktury: stopienie lutu (stopu ołowiowo-cynkowego z 35% cynkiem) za pomocą lampy alkoholowej lub palnika Bunsena w stalowym kubku. Dodatek kalafonii zapobiega utlenianiu powierzchni ( żużel jest wpychany z powrotem w masę). Powoli ochładzaj: krystalizacja i tworzenie mikrostruktury są widoczne gołym okiem.
Mikrostruktury próbek metali poddawane są metalografii polegającej na analizie zdjęć wykonanych pod mikroskopem optycznym . Rozkład wielkości krystalitów, ich kształt i rozmieszczenie na granicach ziaren oraz detekcja zanieczyszczeń pozwalają wywnioskować istotne samonaprężenia i właściwości mechaniczne metalu.
I odwrotnie, obróbka cieplna umożliwia dość precyzyjne zorientowanie mikrostruktury metali (i wynikających z niej właściwości fizycznych): w ten sposób austenityczne stale chromowo-niklowe mają duży rozmiar ziarna, który nadaje im wydłużoną teksturę i wyraźną twardość .
W katastrofach mikrostruktury są systematycznie fotografowane, zwłaszcza w miejscach spękań.
Ilościowa charakterystyka mikrostruktury obejmuje zarówno dane morfologiczne, jak i mechaniczne.
Nowoczesnym sposobem analizy morfologii jest przetwarzanie obrazu : umożliwia ilościowe określenie ułamków objętościowych różnych faz, morfologii wtrąceń i wreszcie orientacji krystalitów i pustych przestrzeni.
W charakteryzacji mechanicznej w skali mikrometrowej najczęściej wykorzystuje się test nanowgniatania ; zwykłe testy mechaniczne: prosta próba rozciągania lub dynamiczna spektrometria mechaniczna (DMA), w rzeczywistości zapewniają jedynie właściwości makroskopowe.
I odwrotnie, identyfikacja faz za pomocą analizy obrazu umożliwia, poprzez przypisanie statystycznego rozkładu twardości krystalitom różnych faz, symulowanie właściwości mechanicznych mikrostruktury.
Oto wybór diagramów mikrostruktury:
Sprawa ogólna
Czysta substancja , stop z segregacją
Stop eutektoidalny z kryształami podkładu A
Stop eutektoidalny z pierwotnymi kryształami B
Stale